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题名深海天然气水合物固态流化开采立管三相流振动模型
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作者
郭晓强
杨巨星
吕俊霖
安有法
刘显斌
李欣业
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机构
河北工业大学机械工程学院
海洋工程全国重点实验室·上海交通大学
山西焦煤山煤国际霍尔辛赫煤业有限公司
西南石油大学化学化工学院
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出处
《天然气工业》
北大核心
2025年第7期135-149,共15页
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基金
国家自然科学基金项目“超深水双梯度无隔水管全井钻柱系统多场耦合非线性振动特性研究”(编号:12472009)
中央引导地方科技发展资金项目“深海天然气水合物开采管柱—吸力锚—海床系统耦合振动特性及失效机理研究”(编号:236Z4103G)
+3 种基金
河北省高等高校科学研究项目“超深水无隔水管钻井钻柱多场耦合多重非线性振动特性研究”(编号:JCZX2025001)
河北省燕赵黄金台聚才计划骨干人才项目(博士后平台)“超深水双梯度无隔水管全井钻柱系统多场耦合非线性振动特性研究”(编号:B2024005002)
中国博士后自然科学基金项目“多场耦合作用下深海天然气水合物固态流化开采立管非线性振动特性及失效机理研究”(编号:2024M750718)
海洋工程全国重点实验室开放课题“深海天然气水合物开采管柱多场耦合非线性振动特性研究”(编号:2458)。
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文摘
天然气水合物(以下简称水合物)固态流化开采技术因其可控性已成为深海水合物资源开发的重要技术方向,但在水合物的举升过程中,开采立管受内部气—液—固三相流动力、外部海洋环境载荷以及大长径比结构特性的综合作用,易发生复杂的非线性流致振动失效,威胁开采安全。为此,基于有限元法、哈密顿原理和能量法,建立了深海水合物开采立管气—液—固三相流致振动模型,综合考虑大长径比效应、涡激振动、水合物动态分解及海洋平台升沉等多因素耦合作用,采用增量形式的Newmark-β法和Newton-Raphson法组合迭代求解模型,获得了立管振动响应。最后,基于相似原理研制了内外流激励下开采管柱非线性振动实验装置,通过模拟实验获取立管流速、位移、模态及频率响应等数据,验证了理论模型。研究结果表明:①所建模型首次引入气—液—固三相流场及水合物动态分解效应,揭示了多相体系沿立管轴向的相态梯度演化规律;②模型计算与实验结果对比显示,立管内颗粒与气泡速度的最大误差分别为6.90%和7.50%,多相流动模型精度达92.50%以上;③振动响应分析中,立管位移均方根及主频的计算误差均低于8.24%,模型精度超过91.76%,验证了流致振动模型的正确性和可靠性。结论认为,提出的理论模型与实验方法为深海天然气水合物开采立管设计提供了可靠依据,完整揭示了水合物开采立管在海洋环境中气—液—固三相内流与多源外激励耦合作用下的非线性振动机制,为深海水合物商业化安全开采技术的突破提供了理论和技术支撑。
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关键词
天然气水合物
气—液—固三相流
开采立管
非线性振动
振动响应
模拟实验
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Keywords
Natural gas hydrate
Gas-liquid-solid three-phase flow
Riser
Nonlinear vibration
Vibration response
Simulation experiment
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分类号
TE52
[石油与天然气工程—油气田开发工程]
TE28
[石油与天然气工程—油气井工程]
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